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喜讯广东省农科院刘军研究员团队转录组激素揭示水稻种子萌发机制

来源：花匠小妙招时间：2025-06-26 20:50

种子活力对幼苗生长的速度和均匀性、作物产量和质量有重大影响。然而，作物种子活力的表观遗传调控机制仍不清楚。2024年4月广东省农业科学院农业生物基因研究中心刘军研究员团队在The Plant Journal上发表题为“OsJMJ718, a histone demethylase gene, positively regulates seed germination in rice”的研究论文。研究揭示了OsJMJ718基因正调控水稻种子萌发，OsJMJ718通过介导靶基因上的H3K9me3去甲基化，影响ABA和乙烯信号转导途径，从而调节水稻种子的萌发。迈维代谢为其提供了ACC检测服务。

1.OsJMJ718基因调控水稻种子萌发

作者构建OsJMJ718敲除突变体和过表达(OE)系来研究OsJMJ718的功能。选择CRISPR敲除系(CR-18和CR-25)和2个OE系(OE-4和OE-8)进行表型分析(图1)。采集了WT和敲除系的种子，保存2个月，然后比较萌发情况。CRISPR敲除系CR-18和CR-25的种子活力较低，主要表现为萌发势和幼苗活力指数较低(图1e-h)。表型评价表明，OsJMJ718- cr种子活力低，显示OsJMJ718正调节萌发(图1g,h;图5 b)。上述发现表明OsJMJ718正调节种子萌发。

图1 野生型(WT)、OsJMJ718敲除系(OsJMJ718- cr)和过表达系(OsJMJ718- oe)的萌发分析

2. OsJMJ718的表达模式及亚细胞定位

采用qRT-PCR分析了OsJMJ718基因在花后3、6、9、12、15、18和21 d的根、茎、叶、幼穗、旗叶和发育种子中的表达情况。OsJMJ718在花后9天和21天的叶片、旗叶和发育中的种子中表达量较高，但在根和茎中表达量较低(图2a,c)。并分析了OsJMJ718在种子萌发中的表达规律。发现在种子萌发过程中，OsJMJ718的转录水平有下调的趋势(图2b)。此外，还研究了OsJMJ718在非生物胁迫下的表达规律，qRT-PCR分析显示，ABA和盐处理显著诱导OsJMJ718基因在3 h高表达，冷处理和PEG也诱导OsJMJ718基因表达。然而，ACC处理并未诱导OsJMJ718表达(图2d)。OsJMJ718启动子GUS (pOsJMJ718:GUS)转基因系显示OsJMJ718在胚胎和胚囊内均有表达(图2e)。在水稻原生质体和烟草叶片中，激光共聚焦显微镜显示，OsJMJ718-GFP的绿色荧光信号主要定位于细胞核内(图2f、g)。上述发现表明OsJMJ718可能位于细胞核中。

图2 OsJMJ718在水稻原生质体和烟草表皮细胞中的表达模式分析及其亚细胞定位

3. 转基因材料组蛋白修饰分析

为了研究OsJMJ718在组蛋白修饰中的功能，作者从敲除、OE和WT幼苗中提取组蛋白进行Western blot分析。与WT相比，CR-18和CR-25中H3K9-me1和H3K9me3水平升高。OsJMJ718过表达导致H3K9me1和H3K9me3表达降低。这表明OsJMJ718可能是一种组蛋白h3k9me /3去甲基化酶(图3)。

图3 OsJMJ718是H3K9me3/1去甲基化酶

4. OsJMJ718活性的功能丧失导致数千个基因的H3K9me3增加

作者进一步研究OsJMJ718是否通过靶基因的H3K9me3水平调节靶基因的表达。通过ChIP-seq和RNA-seq数据的比较，能够对OsJMJ718的功能有更深入的了解。在OsJMJ718-CR系中，H3K9me3水平升高和差异表达的基因有1217个，而在OsJMJ718-CR系中，H3K9me3水平降低和差异表达的基因有19个。KEGG富集结果显示，基因在苯丙类生物合成、黄酮生物合成和植物激素信号转导等途径富集(图4c)。在GO的生物学过程中，这些共享基因对激素和激素介导的信号通路的反应中大量富集(图4c)。随后，选择与ABA信号转传导相关的蛋白(OsPP2C30, Os03g0268600)、WRKY转录因子24 (OsWRKY24, Os01g0826400)、胚胎添加蛋白1 (OsEMP1, Os05g0349800)、3个GA相关基因OsWRKY53 (Os05g0343400)、OsGA3 (Os06g0568600)、OsGASR9 (Os07g0592000)、2个乙烯相关基因OsERF34 (Os04g0550200)、OsERF48 (Os08g0408500)来确认H3K9me3水平的变化(图4d)。RNA-seq数据检测了几个基因的表达水平(图4d)，发现基因在OsJMJ718-CR中大部分都减少了(图4e)。数据表明，OsJMJ718-CR中H3K9me3水平的升高与基因表达的降低呈正相关。

图4.抗H3K9me3的RNA-seq和ChIP-seq关联分析

5.OsJMJ718调节ABA和ACC水平

测定种子萌发过程中的ABA和ACC，萌发0 ~ 48 h后，OsJMJ718-CR的ABA含量高于WT，而OsJMJ718-OE则相反(图5a)。ABA分解代谢基因OsABA8ox1在OsJMJ718-OE中升高，在OsJMJ718-CR中降低。吸胀后12-72 h, OsJMJ718-CR中的ACC含量低于WT(图5b)。与WT相比，OsJMJ718-CR中许多乙烯应答转录因子基因，如OsERF3、OsERF104、OsEATB和OsERF109，在OsJMJ718-CR中显著减少。

图5 OsJMJ718能改变水稻萌发种子中ABA和ACC的含量

6.OsJMJ718通过调控ABA和乙烯信号影响水稻种子萌发

RNA-seq、ChIP-seq和表达模式分析表明，OsJMJ718可能参与水稻内ABA和乙烯信号转导。作者在萌发阶段评估了WT和转基因系对ABA的敏感性。OE-4和OE-8 72 h发芽率达到57-70%，CR-18和CR-25 72 h发芽率达到28-30%，而WT 72 h发芽率为58%，说明OsJMJ718正调控萌发(图6b)。在ABA处理下，所有种子都出现了不可避免的发芽延迟(图6a)。与WT种子相比，OsJMJ718- oe (OE-4和OE-8)种子对ABA浓度的增加更为敏感，这表明OsJMJ718可能对ABA信号转导组分具有负调控作用(图6b-d)。与WT相比，ABA处理的OsJMJ718-OE中PP2C(蛋白磷酸酶2C, OsPP2C30, Os03g0268600)和OsLEA3的表达水平显著增加(图6h,i)。分析了WT、OsJMJ718- oe和OsJMJ718- cr在外源乙烯存在下的种子萌发情况。敲除水稻(CR-18和CR-25)的促苗率高于WT;而OsJMJ718-OE的促芽率与WT无显著差异。

图6 OsJMJ718正调节种子萌发和萌发后生长过程中对ABA敏感性

本研究在水稻中克隆了组蛋白赖氨酸去甲基化酶 OsJMJ718 的 JmjC 基因，并对其在种子萌发中的作用及其表观遗传调控机制进行了研究。OsJMJ718位于细胞核中，参与H3K9甲基化。组织化学GUS染色分析表明，OsJMJ718在种子胚中高表达。非生物胁迫强烈诱导 OsJMJ718 的转录积累水平。OsJMJ718基因敲除株系（OsJMJ718-CR）的发芽率和幼苗活力指数低于野生型（WT）。ChIP-seq 结果和转录组分析表明，差异表达基因富集在 ABA 和乙烯信号转导途径中。OsJMJ718-CR 中的 ABA 含量高于 WT 种子。OsJMJ718 的过表达增强了萌芽和幼苗生长早期对 ABA 的敏感性。在种子萌发期，ABA和乙烯含量分别减少和增加，表明OsJMJ718可能通过ABA和乙烯信号转导途径调节水稻种子的萌发。本研究揭示了OsJMJ718在调节水稻种子萌发和活力方面的重要功能，为提高水稻活力、促进水稻直播生产等实际问题提供了重要参考。